CN102180658A - 低熔点高韧性陶瓷材料及其制备方法和使用 - Google Patents

Abstract

一种低熔点高韧性陶瓷材料及其制备方法和使用,属于工业和民用陶瓷材料技术领域。成分按质量百分数配比为:48-60%的二氧化硅、7.2-8.3%的二氧化钛、7.2-8.3%的三氧化二铝、5.5-7.5%的三氧化二硼、5-6%的氧化钠、5.5-6.7%的氧化锂、3.0-4.0%的三氧化二锑、1.0-2.0%三氧化二钴、1.0-2.0%的三氧化二铬、1.0-2.5%的三氧化二镍、1.0-2.0%的氧化锶和1.0-3.0%的氧化锌。优点:能够减少50%以上的能耗；可以改善韧性;工艺步骤简练，工艺要求不苛刻,能够保障陶瓷材料的低熔点和高韧性的技术效果;能以简便的方式在工件表面或钢板的两面形成陶瓷涂层，解决了已有技术中对反应釜的两面涂搪的难题。

Description

低熔点高韧性陶瓷材料及其制备方法和使用

技术领域

本发明属于工业和民用陶瓷材料技术领域，具体涉及一种低熔点高韧性陶瓷材料，并且还涉及该材料的制备方法和由该方法所制备的低熔点高韧性陶瓷材料的应用。

背景技术

如业界所知之理，搪瓷、陶瓷和玻璃等等均属于普通硅酸盐材料，以搪瓷材料为例，在工业搪瓷设备如搪瓷反应釜搅拌装置等的生产过程中，由于搪瓷材料配方决定了其自身的脆性大，因而迄今为止对钢板两面搪的问题始终无法解决，进而直接造成了搪瓷反应搅拌器形式简陋及功能低下。尤其是高烧结温度和制作工艺易导致搪瓷设备爆瓷，影响搪瓷设备的使用寿命。

利用陶瓷材料替代搪瓷材料虽然不失为是一个理想之举，但是由于陶瓷材料有着与搪瓷和玻璃材料般的熔点高和脆性大的通弊，因此同样不足以克服搪瓷设备生产中所存在的弊端。尽管可以通过纳米增韧工艺改善即提高材料的韧性，藉以缓解材料的脆性，但是，陶瓷材料的高熔点(1000℃左右)问题依然存在。熔点高的最大弊端就是能耗大，同时，对金属基材和设备的要求也高。

在已公开的中国专利文献中不乏见诸有陶瓷材料的技术报导，如CN1179913C推荐了一种准纳米级二钡九钛氧化物微波陶瓷及其制备方法；又如CN1078188C介绍了一种自消毒搪、陶瓷材料及其制备方法；再如CN101058507A提供了一种碳化硅-氮化硼陶瓷复合材料；又如CN1166470A揭示了一种熔喷复合陶瓷粒子及其制备方法，等等。

并不限于由上述例举的文献所公开的陶瓷材料均不足以使陶瓷材料同时兼备低熔点和高韧性的双重效果，从而制约了将陶瓷材料与作为载体的金属板材相结合的应用，使得“双面搪”成为行业难题，因为脆性大的材料，无论是哪种加工工艺，所生成涂层的抗冲击力都不会达到令人满意的程度，易破损，特别是边缘部位尤其容易破损。而且，传统的陶瓷成型技术不仅要耗费大量的能源而且对金属基材有着严苛的要求，例如，目前搪瓷反应釜的制造需使用低碳的搪瓷钢板，而这种钢板的价格远高于一般的碳钢。

鉴于上述已有技术，有必要加以改进，为此，本申请人作了大量积极而有益的探索，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的首要任务在于提供一种既有助于降低熔点又有利于提高韧性而藉以体现节约能源和体现可加工性的低熔点高韧性陶瓷材料。

本发明的还有一个任务在于提供一种低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，该方法工艺步骤简练并且能够保障所获得的陶瓷材料的技术效果的全面体现。

本发明的又一任务在于提供一种低熔点高韧性陶瓷材料的使用，该使用方法能使低熔点高韧性陶瓷材料可靠地与工件表面结合。

本发明的首要任务是这样来完成的，一种低熔点高韧性陶瓷材料，成分按质量百分数配比为：48-60％的二氧化硅、7.2-8.3％的二氧化钛、7.2-8.3％的三氧化二铝、5.5-7.5％的三氧化二硼、5-6％的氧化钠、5.5-6.7％的氧化锂、3.0-4.0％的三氧化二锑、1.0-2.0％三氧化二钴、1.0-2.0％的三氧化二铬、1.0-2.5％的三氧化二镍、1.0-2.0％的氧化锶和1.0-3.0％的氧化锌。

本发明的还有一个任务是这样来完成的，一种低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

A)配料和混料，按质量百分数配比取：48-60％的二氧化硅、7.2-8.3％的二氧化钛、7.2-8.3％的三氧化二铝、5.5-7.5％的三氧化二硼、5-6％的氧化钠、5.5-6.7％的氧化锂、3.0-4.0％的三氧化二锑、1.0-2.0％的三氧化二钴、1.0-2.0％的三氧化二铬、1.0-2.5％的三氧化二镍、1.0-2.0％的氧化锶和1.0-3.0％的氧化锌，得到原料，并且将原料置入混料装置充分混合，得到混合料；

B)熔融，将步骤A)得到的混合料引入熔化炉熔融，并且控制熔融温度和控制熔融时间，得到熔融料；

C)固化，将由步骤B)得到的熔融料引入水中进行固化，并且控制水的温度，得到固化料；

D)研磨，将由步骤C)得到的固化料引入研磨装置研磨，并且控制研磨后的粒度，得到低熔点高韧性陶瓷材料。

在本发明的一个具体的实施例中，步骤A)中所述的混料装置为球磨混料机，混料时间及转速分别为30-60min和100-150rpm。

在本发明的另一个具体的实施例中，步骤B)中所述的熔化炉为电极熔化炉，所述的控制熔融温度是将熔融温度控制为1100-1400℃，所述的控制熔融时间是将熔融时间控制为30-60分钟。

在本发明的又一个具体的实施例中，步骤C)中所述的控制水的温度是将水的温度控制为30-80℃。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤D)中所述的研磨装置为纳米研磨机。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤D)中所述的控制研磨后的粒度是将粒度控制为50-250nm。

本发明的又一任务是这样来完成的，一种低熔点高韧性陶瓷材料的使用方法，该使用方法包括以下两种方法中的任意一种，I)先将低熔点高韧性陶瓷材料静电喷涂至工件表面，而后进行搪烧，在工件表面形成陶瓷涂层；II)将低熔点高韧性陶瓷材料热喷涂到钢板的正反两个表面，在钢板的两面均形成陶瓷涂层。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的搪烧的搪烧温度为650-710℃，搪烧时间为30-60min。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的热喷涂使用氧乙炔火焰喷枪进行热喷涂。

本发明提供的第一个技术方案的优点在于：由于配方中含有降低熔点的三氧化二硼、三氧化二铝、氧化钠和氧化锂，从而能使陶瓷材料的熔点由已有技术中的1200℃以上降低至680℃以下，从而能够减少50％以上的能耗；由于配方中含有三氧化二锑、三氧化二铬和氧化锶，因而可以改善韧性；由于配方中的成分在融熔冷却过程中可以有效的形成结晶体，并且结晶的尺寸通过结晶速度和结晶时间有效控制，得到纳米晶，起到纳米增韧的效果。本发明的第二个技术方案的优点在于：工艺步骤简练，工艺要求不苛刻，能够保障陶瓷材料的低熔点和高韧性的技术效果；本发明的第三个技术方案的优点在于：能以简便的方式在工件表面或钢板的两面形成陶瓷涂层，解决了已有技术中对反应釜的两面涂搪的难题。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够进一步地了解本发明方案的技术实质，申请人在下面结合实施例作详细的描述，但实施例并不是对本发明方案的限制，任何依据本发明方案所作出的仅仅是形式上的而非实质性的变化均应视为本发明的保护范围。

实施例1：

A)配料和混料，按质量百分数取以下原料：60％的二氧化硅、7.5％的二氧化钛、7.2％的三氧化二铝、5.5％的三氧化二硼、5.0％的氧化钠、6.0％的氧化锂、3.0％的三氧化二锑、1.2％的三氧化二钴、1.1％的三氧化二铬、1.5％的三氧化二镍、1.0％的氧化锶和1.0％的氧化锌，得到原料，并且将原料置入球磨混料机中，转速120rpm(120n/min)，混料时间40min，充分混合，得到混合料；

B)熔融，将由步骤A)得到的混合料引入电极熔化炉内熔融，经温度为1200℃和时间为45min后，得到熔融料，在熔融过程中，电极中心会形成自下而上的环流，产生自然搅拌效果；

C)固化，将由步骤B)得到的熔融料引入60℃的水中进行固化，得到固化料；

D)研磨，将由步骤C)得到的固化料引入纳米研磨机研磨至粒度为150nm，得到由表1所示技术效果的低熔点高韧性陶瓷材料。

使用(应用)例1：

将由实施例1得到的低熔点高韧性陶瓷材料采用静电喷涂方式喷涂至搅拌器的桨叶表面，而后送入搪烧电炉中进行搪烧，搪烧温度为650℃，搪烧时间为8min，再降温至620℃并保温30min，这是纳米晶体形成期，纳米晶体充分形成，随后自然冷却，在搅拌器桨叶表面形成陶瓷涂层。

实施例2：

A)配料和混料，按质量百分数配比取以下原料：52％的二氧化硅、8.3％的二氧化钛、8.3％的三氧化二铝、7.5％的三氧化二硼、6.0％的氧化钠、5.5％的氧化锂、4.0％的三氧化二锑、1.9％的三氧化二钴、2.0％的三氧化二铬、1.0％的三氧化二镍、1.5％的氧化锶和2.0％的氧化锌，得到原料，并且将原料置入混料装置充分混合，混料装置的转速为150rpm，混料时间为30min，得到混合料；

B)熔融，熔融温度1100℃，熔融时间为60min，得到熔融料；

C)固化，水温为80℃，得到固化料；

D)研磨，研磨至粒度为240nm，得到由表1所示技术效果的低熔点高韧性陶瓷材料。

本实施例中未涉及的内容均同对实施例1的描述。

使用(应用)例2：

将由实施例2得到的低熔点高韧性陶瓷材料采用亚音速枪(亚音速喷射枪)并且使用氧乙炔火焰热喷涂到钢板的两面，在钢板两面均形成陶瓷涂层，这种具有两面陶瓷涂层的钢板可用于制作反应釜。

实施例3：

A)配料和混料，按质量百分数配比取以下原料：51.5％的二氧化硅、7.2％的二氧化钛、8.1％的三氧化二铝、7.5％的三氧化二硼、5.5％的氧化钠、6.7％的氧化锂、3.5％的三氧化二锑、1.0％的三氧化二钴、1.5％的三氧化二铬、2.5％的三氧化二镍、2.0％的氧化锶和3.0％的氧化锌，得到原料，并且将原料置入混料装置充分混合，混料装置的转速为100rpm，混料时间为60min，得到混合料；

B)熔融，熔融温度为1400℃，熔融时间为30min，得到熔融料；

C)固化，水温为60℃，得到固化料；

D)研磨，研磨至粒度为60nm，得到由表1所示技术效果的低熔点高韧性陶瓷材料。

本实施例中未涉及的内容均同对实施例1的描述。

使用(应用)例3：

将由实施例3得到的低熔点高韧性陶瓷材料采用静电喷涂方式喷涂至工件如永磁搅拌装置的搅拌轴、轴承腔体、隔离套内外表面，而后送入搪烧炉中搪烧，搪烧温度为705℃，搪烧时间为5min，降温至500℃保温30min，降温保温过程是纳米晶体形成期，纳米晶体充分形成，随后自然冷却，在上述工件表面形成陶瓷涂层。

表1所示为上述实施例1至3所得到的低熔点高韧性陶瓷材料的技术效果表：

项目	实施例1	实施例2	实施例3
				熔点	650℃	440℃	520℃

此外，上述使用例1至3所得到的陶瓷涂层经检测，无贯穿孔，无鳞爆；承受200g.cm冲击，无裂纹，无剥落；耐质量百分比浓度为45％沸腾硫酸溶液，耐质量百分比深度为40％的氢氧化钠溶液；可适应300℃温差。

Claims (10)

1.一种低熔点高韧性陶瓷材料，其特征在于成分按质量百分数配比为：48-60%的二氧化硅、7.2-8.3%的二氧化钛、7.2-8.3%的三氧化二铝、5.5-7.5%的三氧化二硼、5-6%的氧化钠、5.5-6.7%的氧化锂、3.0-4.0%的三氧化二锑、1.0-2.0%三氧化二钴、1.0-2.0%的三氧化二铬、1.0-2.5%的三氧化二镍、1.0-2.0%的氧化锶和1.0-3.0%的氧化锌。

2.一种如权利要求1所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A）配料和混料，按质量百分数配比取：48-60%的二氧化硅、7.2-8.3%的二氧化钛、7.2-8.3%的三氧化二铝、5.5-7.5%的三氧化二硼、5-6%的氧化钠、5.5-6.7%的氧化锂、3.0-4.0%的三氧化二锑、1.0-2.0%的三氧化二钴、1.0-2.0%的三氧化二铬、1.0-2.5%的三氧化二镍、1.0-2.0%的氧化锶和1.0-3.0%的氧化锌，得到原料，并且将原料置入混料装置充分混合，得到混合料；

B）熔融，将步骤A）得到的混合料引入熔化炉熔融，并且控制熔融温度和控制熔融时间，得到熔融料；

C）固化，将由步骤B）得到的熔融料引入水中进行固化，并且控制水的温度，得到固化料；

D）研磨，将由步骤C）得到的固化料引入研磨装置研磨，并且控制研磨后的粒度，得到低熔点高韧性陶瓷材料。

3.根据权利要求2所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的混料装置为球磨混料机，混料时间及转速分别为30-60min和100-150rpm。

4.根据权利要求2所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤B）中所述的熔化炉为电极熔化炉，所述的控制熔融温度是将熔融温度控制为1100-1400℃，所述的控制熔融时间是将熔融时间控制为30-60分钟。

5.根据权利要求2所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤C）中所述的控制水的温度是将水的温度控制为30-80℃。

6.根据权利要求2所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤D）中所述的研磨装置为纳米研磨机。

7.根据权利要求2所述的低熔点高韧性陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤D）中所述的控制研磨后的粒度是将粒度控制为50-250nm。

8.一种如权利要求1所述的低熔点高韧性陶瓷材料的使用方法，其特征在于该使用方法包括以下两种方法中的任意一种，Ⅰ）先将低熔点高韧性陶瓷材料静电喷涂至工件表面，而后进行搪烧，在工件表面形成陶瓷涂层；Ⅱ）将低熔点高韧性陶瓷材料热喷涂到钢板的正反两个表面，在钢板的两面均形成陶瓷涂层。

9.根据权利要求8所述的低熔点高韧性陶瓷材料的使用方法，其特征在于所述的搪烧的搪烧温度为650-718℃，搪烧时间为5-10min，冷却至比熔点低10-20℃并且保温30 min，充分形成纳米晶。

10.根据权利要求8所述的低熔点高韧性陶瓷材料的使用方法，其特征在于所述的热喷涂是由亚音速枪并且使用氧乙炔火焰热喷涂。